1樓：宮非
2016-01-22
在同等體積和同等冷卻環境下，溫度略高的液體比溫度略低的液體（非純水）先結冰的現象，被稱之為「姆潘巴現象」（Mpemba effect）。對於姆潘巴現象，物理學家曾提出幾種可能的假設，其中包括水分更快蒸發導致熱水體積變小，一層霜隔絕了溫度更低的水以及溶質濃度存在差異。但任何一種解釋都很難讓人信服，因為這種效應並不可靠，冷水凍結速度往往還是超過熱水。
最先肯定「姆潘巴現象」存在的 Erasto Mpemba 博士在對其進行細緻研究過程中發現，當把熱水放入電冰箱冷卻的最初時刻，熱水水體的上表面與底部不存在溫度差，但一經急劇冷卻，溫度差就立即出現，其中初溫為 70℃ 的熱水內產生的高低溫度差接近 14℃，而初溫為 47℃ 的熱水內產生的高低溫度差只有 10℃。這說明在凍結前的降溫過程中，較熱的液體的溫度差在一段時間裡大於相對較冷的液體的溫度差。但為什麼溫差大的水要先凍結呢？
這只能有一種解釋比較合理，那就是水體上表面的溫度愈高，從上表面散發的熱量就愈多，因而降溫就愈快，凍結也就愈快。這便是熱牛奶比冷牛奶先結冰的秘密。
美國華盛頓大學的 Jonathan Katz 通過對姆潘巴現象的深入研究，他證實，這種現象不但真實存在，而且造成這種現象發生的原因也是真實存在的。不過，這其中的原因不過是隱藏在水裡面的一些尋常「硬物」。在破解姆潘巴現象的過程中，Katz 把目光盯在了水上面。
我們知道，水在加熱過程中，一些隱藏在水裡的易溶物—鈣、鎂離子等會被驅逐出去，形成沉澱物。我們日常生活中常見的附在水壺內壁上的水垢，就是它們被驅出去的證據。而水在達到沸點以後，就會因硬物被絕大部分清除而軟化。
Katz 發現，同樣是冷凍結冰，未經加熱的硬水在結冰過程中，由於其內部硬物作祟，使得硬水的要比被加熱後的軟水冰點降低一些，這就減緩了硬水結冰的速度。
另外， 2013 年新加坡南洋理工大學宣稱他們成功解開「姆潘巴現象」之謎，關鍵就在於讓水分子聚合的「氫鍵」。他們認為氫鍵給了水分子諸多特殊性質，如沸點較其他類似組成的液體高，即是因為氫鍵雖然比共價鍵弱，卻比分子間的作用力「凡德瓦力」強，使水分子能夠聚合得更牢固，姆潘巴現象也可由此解釋。研究團隊指出，氫鍵將水分子拉近，卻也觸發它們之間的排斥力，這時氫鍵便會借由伸展來儲存能量。
當液體溫度上公升時，水分子距離增大、氫鍵透過延展儲蓄能量；而溫度下降時，氫鍵隨之萎縮，迅速發布能量冷卻下來。
那麼為什麼在眾多實驗中，姆潘巴現象不會每次都出現？Katz 認為，原因就在於試驗者一開始用的就是軟水。用同樣的軟水來做冷熱實驗，由於水的冰點都一樣，而且散熱速度的快慢對結冰速度的影響很微弱，所以姆潘巴現象就不那麼顯而易見了。
有科學家指出，Katz 的發現很可能不是姆潘巴現象的終極答案，但和截止 2015 年現有的各種答案相比，這個答案還是最有說服力的。
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